一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法及装置与流程

1.本发明属于预防风电机组卡桨的控制技术领域，具体涉及一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法及装置。


背景技术：

2.近些年各风场机组随着服役时间增加，机组安全问题也日益凸显，各风场出现飞车、倒塔等事故时有发生。风电机组卡桨导致飞车的事故是风电场最严重的设备事故之一，轻则造成机组变桨系统、叶片等大部件损坏，重则连带机组螺栓断裂、主机架变形、发电机和齿轮箱损毁、叶片折断、叶片扫塔，甚至造成机组火灾、倒塌乃至人身伤亡事故。因此机组飞车是风电场必须严防死守、严禁发生的恶性事故。
3.随着风电机组运行年限的增加，机组轮毂各器件存在老化及松动、变桨轴承磨损加剧，进而导致机组出现各种卡桨故障频发，例如，变桨轴承磨损导致变桨传动系统在特定位置启动和运行力矩过大，变桨传动系统润滑不畅导致变桨力矩过大等，严重时就会出现卡桨的情况。此外，早期由于机组设计水平较低和经验不足，为变桨系统设计的应对变桨力矩出现异常工况的过载保护策略存在缺陷，现有变桨系统在向工作位置运动时，如果由于机械或者电气原因卡桨，则变桨扭矩会突然增大，超过限定时间后，变桨电机过载保护启动，造成叶片无法回桨。
4.目前存在的针对变桨系统防飞车的方案，主要包括：
5.1、增加变桨系统安全链的冗余设计，主要为增加变桨系统安全链的冗余设计思路为在叶轮严重超速情况下，在轮毂内就近主动断开与变桨系统直接关联的安全链故障点，使变桨系统在未接收到任何控制器信号的情况下仍可直接进入快速回桨动作。该方案采用独立的控制器和专用的控制逻辑，在轮毂内增加独立叶轮转速监测系统并且与主控系统轮毂转速监测回路互不干扰。此方案是单纯从硬件方面增加了变桨系统的稳定运行，不能通过主动介入的方式提前发现隐患，在变桨系统卡桨时不能有效将机组安全停机。
6.2、增加防飞车自动强制偏航系统；该方案采用独立的控制单元和控制程序，并单独对风向与机舱夹角进行实时监测，当系统监测到风电机组出现严重超速飞车情况时，系统会将控制偏航系统启动，将机舱向增加与风夹角的方向偏航，保证在最短时间内降低叶轮载荷，并及时降低叶轮转速，避免机组出现倒塔的毁灭性损失。
7.综上所述，风电机组出现超速飞车会对风电场的安全生产造成严重威胁，并给风电场带来巨大的经济损失。现有的防飞车方案均是针对机组出现超速或飞车问题后采取应急措施，单纯从硬件方面增加了变桨系统的安全冗余设计，不能通过主动介入的方式提前发现和预警变桨过载或卡桨的风险，不能有效监测变桨系统的飞车隐患。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法及装置，以解决风电机组卡桨死机，容易飞车的问题。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法，包括:
11.监测风电机组的变桨电机输出扭矩是否过载；
12.如果监测到变桨电机输出扭矩过载，进一步判断变桨电机输出扭矩过载量；
13.若变桨电机输出扭矩在过载过程中自动恢复正常，则变桨系统正常运行；
14.若变桨电机输出扭矩过载量达到最大允许过载扭矩，且达到最大允许过载扭矩的持续时间达到第一阈值时，风电机组将发出预警信号，对风电机组进行检修作业或持续观测变桨电机的运行状态，若完成对风电机组的检修作业，则变桨系统正常运行；若达到最大允许过载扭矩的持续时间从第一阈值达到第二阈值时，风电机组发出故障信号并停机，对风电机组进行登机检修，检修完成后进行复位重启操作。
15.进一步地，所述第一阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的50％。
16.进一步地，所述第二阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的80％。
17.进一步地，所述复位重启操作通过复位重启模块对风电机组进行后台重启，所述复位重启模块包括控制系统、变桨控制柜、i/o模块和通讯模块其中：
18.所述控制系统为plc控制单元，所述plc控制单元设置于风电机组的机舱内，与所述风电机组的机舱固定连接；
19.所述变桨控制柜设置于所述机舱内，与所述机舱可拆卸连接，通过线缆与所述控制系统的数据传输接口相连；
20.所述i/o模块连接与所述plc控制单元的i/o接口上；
21.所述通讯模块连接于所述plc控制单元的cpu上。
22.进一步地，所述复位重启操作包括现场复位重启操作和远程复位重启操作。
23.进一步地，所述现场复位重启操作通过工作人员手动操作来实现。
24.进一步地，所述远程复位重启操作通过复位重启模块来实现。
25.一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的装置，包括:
26.监测模块，用于监测风电机组的变桨电机输出扭矩是否过载；
27.判断模块，用于监测到变桨电机输出扭矩过载，进一步判断变桨电机输出扭矩过载量；
28.若变桨电机输出扭矩过载量在达到最大允许过载扭矩前恢复正常，则变桨系统正常运行；
29.若变桨电机输出扭矩过载量达到最大允许过载扭矩，且达到最大允许过载扭矩的持续时间达到第一阈值时，风电机组将发出预警信号，对风电机组进行检修作业或持续观测变桨电机的运行状态，若完成对风电机组的检修作业，则变桨系统正常运行；若达到最大允许过载扭矩的持续时间从第一阈值达到第二阈值时，风电机组发出故障信号并停机，对风电机组进行登机检修，检修完成后进行复位重启操作。
30.进一步地，所述第一阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的50％。
31.进一步地，所述第二阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过
载时间达到最大允许持续时间的80％。
32.相较于现有技术，本发明的优点在于：
33.本发明通过检测变桨电机是否过载，以及过载的持续时间，根据变桨电机的过载时间与变桨电机的最大过载时间的百分比对变桨系统进行和预警和复位重启操作，对风电机组的过载量进行检测和预警，能够对风电机组及时进行检修，避免了风电机组因变桨电机造成卡桨死机，甚至飞桨的问题，提高了运维水平。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
35.图1为本发明一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法的流程示意图。
36.图2为本发明一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法的风电机组变桨力矩控制逻辑图。
具体实施方式
37.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
39.实施例1：
40.如图1所示，本发明的一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法，包括
41.监测风电机组的变桨电机输出扭矩是否过载；
42.如果监测到变桨电机输出扭矩过载，进一步判断变桨电机输出扭矩过载量；
43.若变桨电机输出扭矩过载量在达到最大允许过载扭矩前恢复正常，则变桨系统正常运行；
44.若变桨电机输出扭矩过载量达到最大允许过载扭矩，且达到最大允许过载扭矩的持续时间达到第一阈值时，风电机组将发出预警信号，对风电机组进行检修作业或持续观测变桨电机的运行状态，若完成对风电机组的检修作业，则变桨系统正常运行；若达到最大允许过载扭矩的持续时间从第一阈值达到第二阈值时，风电机组发出故障信号并停机，对风电机组进行登机检修，检修完成后进行复位重启操作。
45.进一步地，第一阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的50％。
46.进一步地，第二阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的80％。
47.进一步地，复位重启操作包括现场复位重启操作和远程复位重启操作，在对风电机组防卡桨死机进行预防性报警时，首先对风电机组变桨电机输出的扭矩进行过载检测，当监测到变桨电机输出扭矩未过载时，则变桨系统正常运行；当监测到变桨电机输出扭矩
过载时，进一步判断变桨电机输出扭矩过载量；而当变桨电机输出扭矩过载量在达到最大允许过载扭矩前自动恢复正常，则变桨电机恢复正常，变桨系统正常运行；而当变桨电机输出扭矩过载量达到最大允许过载扭矩，且变桨电机的最大过载扭矩的持续时间从开始至最大允许时间的50％时，风电机组将发出预警信号，此时，作业人员对风电机组进行检修作业或持续观测变桨电机的运行状态，若作业人员在风电机组发出预警信号时完成对风电机组的检修作业，则变桨系统正常运行；若作业人员没有完成对风电机组的检修作业或未对风电机组进行检修，直至变桨电机的扭矩达到最大允许过载扭矩，且变桨电机的最大过载扭矩的持续时间从最大允许时间的50％达到80％时，风电机组发出故障信号并停机，作业人员对风电机组进行登机检修作业，检修完成后进行复位重启操作。
48.本发明的一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法，原理为采用预防性报警的防卡桨控制技术，通过对运行数据进行监测和判断，为变桨不同扭矩区间设定限定值，实现以报警或故障形式提示现场维护人员及时检查处理变桨可能存在的问题，杜绝飞车隐患，完善叶片运行全范围的检测与报警功能，为检修工作带来便利。
49.进一步具体地，在进行变桨预警检测时，风电机组的主控给变桨变频器发送变桨指令，变桨变频器接到变桨指令后控制变桨电机出力来驱动叶片旋转，在叶片旋转过程中，变桨电机的出力一直实时反馈给变桨变频器，变桨变频器会根据变桨的速度来实时调整变桨电机的出力大小。当变桨速度小于给定要求时，变桨变频器会增大变桨电机的出力，以加快变桨速度。
50.进一步具体地，根据风电机组不同的电机，一般根据其功率、额定扭矩、最大过载力矩等参数确定最大过载时间，对于1.5mw机组，正常变桨需要的电机扭矩通常在20nm，假设变桨电机一般最大可以承受3倍过载扭矩，变桨电机达到最大允许过载扭矩的持续时间为1000ms，在进行变桨电机的过载时间计算时，以风电机组变桨电机最为常见过载的最大扭矩为60nm进行计算和示例说明；如当变桨电机的输出扭矩在过载时自动恢复，则变桨系统正常运行，若变桨电机的输出扭矩过载量达到最大允许过载扭矩，也即变桨电机的输出扭矩过载量达到60nm，且持续过载时间达到最大允许过载扭矩持续时间的50％，也即变桨电机的过载扭矩达到60nm，达到60nm的持续时间达到1000ms
×
50％＝500ms时，风电机组将发出预警信号，提示作业人员对风电机组进行检修作业，若完成对风电机组的检修作业，则变桨系统正常运行；若作业人员对风电机组不进行检修作业，持续观察风电机组的状态，直至变桨电机的持续过载时间从500ms达到最大允许过载扭矩持续时间的80％，也即变桨电机的过载扭矩达到60nm，达到60nm的持续时间达到1000ms
×
80％＝800ms时，风电机组发出故障信号并停机，对风电机组登机检修，检修完成后对风电机组进行现场复位重启操作，当作业人员不便于现场复位重启操作时，进行远程复位重启操作。
51.进一步具体的，变桨电机的最大允许过载扭矩和达到最大允许过载扭矩的持续时间根据变桨电机的具体型号和设置来设定，其中变桨电机的允许过载时间的第一阈值和第二阈值也可设置为30％和50％；或40％和60％，本实施例仅示例说明本发明的方法与原理，包括但不限于上述百分比，与本发明相同设定的方法，都属于本发明保护的范围。
52.进一步地，如图2所示，为本发明一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法的风电机组变桨力矩控制逻辑图。由图中可以看出，变桨电机初始状态为正常运行状态，处于正常变桨阶段；当变桨电机发生驱动过载，也即变桨电机的输出扭矩发生过载时，变桨电
机的变桨力矩发生变化，当变桨电机的变桨力矩达到第一阈值时，变桨电机提前预警；当变桨电机持续发生过载或在第一阈值周围持续发生波动，当某一瞬时阈值达到第二阈值时，变桨电机发出故障预警信号，变桨电机处于故障停机，进入顺桨停机阶段，直至作业人员检修后，对变桨电机进行复位重启操作，变桨电机恢复正常运行。
53.进一步具体地，风电机组变桨电机的扭矩最大值因风电机组的不同和风电机组批次等发展的需要，变桨电机的最大扭矩包括但不限于60nm，本实施例示例性的说明本发明的方法和原理。
54.进一步具体地，以变桨电机过载时间t来更进一步具体说明变桨电机过载检测的方法和原理，当变桨电机承受最大过载时会导致风电机组中的变桨变频器过热自锁，变桨变频器将报过载的相关故障，从而实现对风电机组变桨电机的保护，放置变桨系统失效，叶片无法顺桨，机组存在飞车的隐患。
55.进一步地，本发明的一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的方法主要表现为过流死机，通过对风电机组的变桨电机进行监测和预警，避免了风电机组卡桨和死机的问题。具体地，变桨系统是风电机组的重要组成部分，承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，主要包括监控系统、变桨控制系统以及变频系统。
56.进一步地，为了保证对机组变桨系统运行状况进行提前识别，通过对风电机组的变桨电机进行监测和预警还可以通过更改变桨力矩的滤波参数将变桨力矩分为高灵敏度、中灵敏度、低灵敏度三个档位，通过虚拟屏对变桨力矩灵敏度进行选型，可以通过报警频率推断变桨轴承等硬件运行状况，使现场能够更精准的发现需要维护的机组，而不是全场盲目统一维护，能较大减轻现场维护的工作量。进一步地，风机变桨系统提前预警的预警信号通过更改变桨系统中变桨力矩的滤波参数来调节预警信号的灵敏度；变桨力矩的滤波参数通过虚拟屏对变桨系统的灵敏度进行选取。
57.进一步地，后台重启操作通过后台的复位重启模块对风电机组进行后台重启，复位重启模块包括控制系统、变桨控制柜、i/o模块和通讯模块，其中：控制系统为plc控制单元，plc控制单元设置于风电机组的机舱内，与风电机组的机舱固定连接；变桨控制柜设置于所述机舱内，与机舱可拆卸连接，通过线缆与控制系统的数据传输接口相连；i/o模块连接与所述plc控制单元的i/o接口上；通讯模块连接于所述plc控制单元的cpu上。
58.具体地，对风电机组的变桨电机进行监测和预警，在对风机系统进行防止卡桨和预警时，在主控制策略中通过增加变桨电机过载时间判断逻辑语句，也即在plc控制单元中增加逻辑判断语句，并将加入后的逻辑语句传输至变桨系统中执行，实现对风电机组的预警。具体地，通过对过载时间的判断，机组进入提前预警、可复位故障和故障停机等状态，并在后台监控系统中相应给出预警和故障信息，提前告知运维人员对异常的变桨系统进行检查和维护，有利于减少停机时间，提高运维水平。
59.进一步具体地，本发明通过对风电机组的变桨电机进行监测和预警，相较于现有技术中增加变桨系统安全链的冗余设计和增加防飞车自动强制偏航系统的结构，解决了让变桨系统卡桨死机的问题，并通过本发明的逻辑语句，在变桨系统死机前，对变桨系统的卡桨情况进行预警，显示故障，并停机，同时保持叶片顺桨。
60.实施例2：
61.一种基于预防性报警风电机组防卡桨死机的装置，包括:
62.监测模块，用于监测风电机组的变桨电机输出扭矩是否过载；
63.判断模块，用于监测到变桨电机输出扭矩过载，进一步判断变桨电机输出扭矩过载量；
64.若变桨电机输出扭矩过载量在达到最大允许过载扭矩前恢复正常，则变桨系统正常运行；
65.若变桨电机输出扭矩过载量达到最大允许过载扭矩，且达到最大允许过载扭矩的持续时间达到第一阈值时，风电机组将发出预警信号，对风电机组进行检修作业或持续观测变桨电机的运行状态，若完成对风电机组的检修作业，则变桨系统正常运行；若达到最大允许过载扭矩的持续时间从第一阈值达到第二阈值时，风电机组发出故障信号并停机，对风电机组进行登机检修，检修完成后进行复位重启操作。
66.进一步地，第一阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的50％。
67.进一步地，第二阈值为变桨电机输出扭矩达到最大允许过载扭矩后，持续过载时间达到最大允许持续时间的80％。
68.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
69.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
70.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
71.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
72.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。